摘要

本文采用外部加熱的濫用方式觸發18650三元鋰電池熱失控，通過經定制化改造的ATC 300A自動氧彈量熱儀測定其熱失控總放熱量，研究發現電池熱失控后的質量損失與總放熱量呈正相關。

圖1 定制型ATC 300A自動氧彈量熱儀

前言

電池熱失控總放熱量是量化熱失控破壞力的核心指標，對電池熱管理設計和熱安全管理具有重要指導意義。常用的絕熱式熱分析儀器高度依賴比熱容的精確測定，且電池熱失控瞬間放熱速率較快，溫度追蹤不及時會造成量熱誤差，無法獲取完整的電池放熱量數據。

自動氧彈量熱儀是一種基于等溫量熱原理測量物質燃燒熱的儀器。儀器將密閉氧彈浸沒于充滿水的內筒中，通過燃燒氧彈內一定量的可燃物來開展測試。燃燒釋放出的熱量通過氧彈傳遞至內筒的水，根據水溫變化即可計算出可燃物的放熱量。

本研究基于定制型ATC 300A自動氧彈量熱儀，在惰性氣氛下通過加熱片觸發18650三元鋰電池熱失控，測量其總放熱量。結果表明：空電狀態下為45896.9 J，滿電狀態下為67620.7 J。

實驗方法

1. 實驗條件

測試儀器：定制型ATC 300A自動氧彈量熱儀

測試方法：GB/T 213-2008

實驗樣品：18650三元鋰電池

熱失控觸發方式：加熱片觸發（20V/5A）

2. 測試過程

打開定制型ATC 300A自動氧彈量熱儀；

Step1：準備空電/滿電的18650三元鋰電池，稱重并記錄其電壓值；

Step2：將加熱片與電池緊密貼合，連接加熱片并組裝至氧彈內，如圖2所示；

圖2 電池安裝至氧彈內

Step3：將裝好的氧彈懸掛至儀器上，設置實驗參數，填寫樣品信息；

Step4：開始實驗，儀器自動進行測試；

Step5：實驗結束，取下氧彈并進行清理；

Step6：重復測試，記錄實驗數據。

實驗結果

實驗裝置如圖3所示。儀器內部通過加熱片觸發18650三元鋰電池熱失控，測試獲得的燃燒熱扣除加熱片輸入熱量即為電池總放熱量。

圖3 定制型ATC 300A自動氧彈量熱儀

如表1所示，空電狀態下電池三次重復測試的總放熱量均值為45896.9J，相對標準偏差（RSD）為3.25%；滿電狀態下電池總放熱量為67620.7J。

表1 18650鋰電池總放熱量測試結果

在上述測試中，三次空電狀態下電池熱失控測試后的狀態與質量不同，可能是電池總放熱量存在偏差的主要原因。測試后電池狀態如圖4所示：空電狀態下b電池燃燒后較為完整，a與c電池燃燒后狀態較為接近，均發生內容物噴出；滿電狀態下d電池燃燒較為劇烈，基本僅存外殼。

圖4 a/b/c空電與d滿電18650鋰電池熱失控后狀態

從測試結果看，空電狀態下b電池總放熱量最小，a與c結果相差不大，滿電狀態下d電池總放熱量最大。電池熱失控燃燒前后的質量損失與總放熱量呈正相關，失重比越大，總放熱量越大。

結論

本文利用加熱片觸發電池熱失控的方式，通過定制型ATC 300A自動氧彈量熱儀測定18650三元鋰電池在空電/滿電狀態下的熱失控總放熱量，為鋰電池熱管理設計及消防安全評估提供關鍵基礎參數。